Tổng quan nghiên cứu

Máy bay không người lái (UAV) có vận tốc thấp và tỷ số dạng lớn, hay còn gọi là UAV dạng tàu lượn, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cứu hộ, trinh thám, khảo sát địa hình và nghiên cứu khoa học. Với sải cánh lớn và thiết kế khí động học tối ưu, các UAV này tận dụng hiệu quả lực nâng và giảm tiêu hao năng lượng, kéo dài thời gian bay. Ví dụ điển hình là máy bay Solar Impulse với sải cánh 63,4m và tỷ số dạng lên tới 19,7, có khả năng bay liên tục nhiều ngày trên biển. Tuy nhiên, việc thiết kế cánh UAV sao cho đạt chất lượng khí động tốt nhất vẫn là thách thức lớn, đặc biệt là ảnh hưởng của góc nhị diện và góc vểnh cánh đến hiệu suất bay.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của góc nhị diện và góc vểnh cánh đến đặc tính khí động của UAV có vận tốc thấp (khoảng 10-15 m/s) và tỷ số dạng lớn (AR=12,41). Mục tiêu chính là phân tích, mô phỏng và thực nghiệm để xác định góc nhị diện và góc vểnh cánh tối ưu, từ đó đề xuất thiết kế cánh hiệu quả hơn. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình cánh UAV dạng tàu lượn, sử dụng profil WE3.3, với các thử nghiệm trong ống khí động tại Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất bay, tiết kiệm năng lượng và tăng khả năng mang tải của UAV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình khí động học cơ bản liên quan đến lực nâng, lực cản và hệ số chất lượng khí động (L/D). Hai khái niệm trọng tâm là:

  • Góc nhị diện (dihedral angle): Góc giữa cánh máy bay và mặt phẳng ngang, ảnh hưởng đến sự ổn định ngang và khả năng phục hồi khi bay liệng. Góc nhị diện có thể dương hoặc âm, với góc dương giúp tăng ổn định, góc âm tăng tính cơ động.

  • Góc vểnh cánh (wing dihedral or wing bend angle): Góc gấp khúc của cánh nhằm giảm võng cánh do trọng lực và tăng ổn định khi gặp gió ngang. Góc vểnh cánh cũng ảnh hưởng đến lực nâng và lực cản.

Ngoài ra, các khái niệm về lực nâng, lực cản, áp suất phân bố trên cánh và mô hình dòng khí qua cánh được sử dụng để phân tích và mô phỏng. Mô hình khí động học sử dụng phần mềm Ansys CFX với mô hình rối k-ω SST để mô phỏng dòng khí và tính toán các lực tác động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo quy trình gồm các bước:

  1. Thiết kế mô hình cánh: Sử dụng profil WE3.3 với các thông số như độ dày 9,3% dây cung, tỷ số dạng 12,41, chiều dài nửa sải cánh 252,5 mm, góc vểnh cánh ban đầu 7°, góc nhị diện 0°.

  2. Mô phỏng khí động: Chia lưới bằng phần mềm ICEM CFD, mô phỏng dòng khí với vận tốc đầu vào 10 m/s trong ống khí động kích thước 1000x500x345 mm. Các trường hợp thay đổi góc nhị diện (-5° đến 5°), góc vểnh cánh (5° đến 9°), và vị trí điểm vểnh cánh (75 mm đến 175 mm) được mô phỏng để đánh giá lực nâng, lực cản và hệ số chất lượng khí động.

  3. Chế tạo mẫu thử nghiệm: Mô hình cánh được in 3D bằng nhựa PLA với độ chính xác cao, gắn 21 đầu đo áp suất trải dài trên cánh để thu thập dữ liệu.

  4. Thực nghiệm trong ống khí động: Đo áp suất động và tĩnh trên bề mặt cánh, tính toán lực nâng, lực cản và hệ số chất lượng khí động. Thời gian ghi nhận tín hiệu là 6 giây với bước thời gian 100 µs.

  5. So sánh và phân tích: Đối chiếu kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đánh giá sai số và nguyên nhân sai lệch, từ đó đề xuất phương án tối ưu.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình cánh nửa sải 252,5 mm, phù hợp với kích thước ống khí động. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng số kết hợp thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc vểnh cánh:

    • Lực nâng đạt giá trị lớn nhất 0,3093 N tại góc vểnh 6°, nhỏ nhất 0,3087 N tại 5° và 9°.
    • Lực cản thấp nhất 0,01968 N tại góc vểnh 7°, cao nhất 0,01982 N tại 9°.
    • Hệ số chất lượng khí động cao nhất 15,69 tại góc vểnh 7°, thấp nhất 15,58 tại 9°.
      Kết luận: Góc vểnh 7° tối ưu cho tiết kiệm năng lượng, trong khi góc 6° tối ưu cho khả năng mang tải.

  2. Ảnh hưởng của điểm vểnh cánh:

    • Lực nâng lớn nhất 0,3089 N khi điểm vểnh cách gốc cánh 150 mm, nhỏ nhất 0,3074 N tại 75 mm.
    • Lực cản thấp nhất 0,01968 N tại 175 mm, cao nhất 0,01995 N tại 125 mm.
    • Hệ số chất lượng khí động cao nhất 15,69 tại 175 mm, thấp nhất 15,47 tại 100 mm.
      Kết luận: Điểm vểnh cách gốc cánh 175 mm tối ưu cho hiệu suất khí động và tiết kiệm năng lượng.

  3. Ảnh hưởng của góc nhị diện âm (trong cất cánh):

    • Lực nâng lớn nhất 0,3105 N tại -3°, nhỏ nhất 0,3095 N tại -1°.
    • Lực cản thấp nhất 0,01963 N tại -2°, cao nhất 0,01979 N tại -5°.
    • Hệ số chất lượng khí động cao nhất 15,79 tại -3°, thấp nhất 15,68 tại -5°.
      Kết luận: Góc nhị diện âm từ -3° đến -4° tối ưu cho tiết kiệm năng lượng khi cất cánh.

  4. Ảnh hưởng của góc nhị diện dương (trong bay bằng):

    • Lực nâng lớn nhất 0,3088 N tại 0°, giảm dần đến 0,3048 N tại 5°.
    • Lực cản thấp nhất 0,01968 N tại 0°, cao nhất 0,01984 N tại 4°.
    • Hệ số chất lượng khí động cao nhất 15,69 tại 0°, thấp nhất 15,38 tại 5°.
      Kết luận: Góc nhị diện 0° tối ưu cho bay bằng, tăng góc nhị diện làm giảm hiệu suất khí động.

  5. So sánh mô phỏng và thực nghiệm:

    • Sai số trung bình lực nâng 16,67%, lực cản 12,92%, hệ số chất lượng khí động 5,11%.
    • Đồ thị lực nâng, lực cản và hệ số chất lượng khí động giữa mô phỏng và thực nghiệm có xu hướng tương đồng, chỉ khác biệt về giá trị cụ thể.
      Nguyên nhân sai số gồm thiết bị đo, dao động dây dẫn, điều kiện thực nghiệm và mô hình hóa.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy góc vểnh cánh 7° và điểm vểnh cách gốc cánh 175 mm là tổ hợp tối ưu cho UAV dạng tàu lượn với tỷ số dạng 12,41, giúp cân bằng giữa lực nâng và lực cản, từ đó nâng cao hệ số chất lượng khí động. Góc nhị diện âm từ -3° đến -4° phù hợp cho giai đoạn cất cánh, giúp tiết kiệm năng lượng, trong khi góc nhị diện 0° tối ưu cho bay bằng, đảm bảo hiệu suất khí động cao nhất.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào UAV tốc độ cao, nghiên cứu này bổ sung kiến thức về UAV vận tốc thấp, một lĩnh vực còn ít được khai thác. Việc kết hợp mô phỏng và thực nghiệm giúp kiểm chứng tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế của các thiết kế cánh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực nâng, lực cản và hệ số chất lượng khí động theo từng biến số góc vểnh, điểm vểnh và góc nhị diện, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu suất bay.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế cánh UAV:

    • Áp dụng góc vểnh cánh 7°, điểm vểnh cách gốc cánh 175 mm và góc nhị diện 0° cho giai đoạn bay bằng để tối ưu hiệu suất khí động.
    • Trong giai đoạn cất cánh, sử dụng góc nhị diện âm từ -3° đến -4° để tiết kiệm năng lượng.
    • Thời gian thực hiện: áp dụng trong các dự án thiết kế UAV mới trong vòng 1-2 năm.

  2. Cải tiến vật liệu và kết cấu:

    • Sử dụng vật liệu composite có độ đàn hồi phù hợp để giảm võng cánh và tăng độ bền kết cấu, đặc biệt tại điểm vểnh cánh.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất UAV và viện nghiên cứu vật liệu.

  3. Nâng cao độ chính xác trong thực nghiệm:

    • Cải tiến thiết bị đo áp suất và giảm dao động dây dẫn để giảm sai số thực nghiệm xuống dưới 10%.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ yếu tại các phòng thí nghiệm khí động học.

  4. Mở rộng nghiên cứu:

    • Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như tốc độ bay, điều kiện gió, và tải trọng đến hiệu suất khí động của UAV.
    • Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành hàng không.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà thiết kế và sản xuất UAV:

    • Lợi ích: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu thiết kế cánh, nâng cao hiệu suất bay và tiết kiệm năng lượng.
    • Use case: Thiết kế UAV cho khảo sát địa hình hoặc nhiệm vụ trinh sát quân sự.

  2. Các viện nghiên cứu hàng không và cơ khí động lực:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp mô phỏng và thực nghiệm kết hợp, mở rộng nghiên cứu về khí động học UAV vận tốc thấp.
    • Use case: Phát triển các dự án nghiên cứu UAV mới hoặc cải tiến UAV hiện có.

  3. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật hàng không:

    • Lợi ích: Hiểu rõ về ảnh hưởng của góc nhị diện và góc vểnh cánh, phương pháp mô phỏng và thực nghiệm khí động học.
    • Use case: Tham khảo để làm luận văn, đề tài nghiên cứu hoặc học tập chuyên sâu.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách phát triển công nghệ UAV:

    • Lợi ích: Nắm bắt xu hướng phát triển UAV có tỷ số dạng lớn, vận tốc thấp, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
    • Use case: Định hướng đầu tư, phát triển công nghệ UAV trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Góc nhị diện và góc vểnh cánh khác nhau như thế nào?
    Góc nhị diện là góc nâng cánh so với mặt phẳng ngang, ảnh hưởng đến ổn định ngang của máy bay. Góc vểnh cánh là góc gấp khúc của cánh nhằm giảm võng cánh và tăng ổn định khi gặp gió ngang. Cả hai đều ảnh hưởng đến khí động học nhưng có vai trò và vị trí khác nhau trên cánh.

  2. Tại sao UAV có tỷ số dạng lớn lại cần nghiên cứu góc nhị diện và góc vểnh cánh?
    UAV tỷ số dạng lớn có sải cánh dài, dễ bị võng và ảnh hưởng lớn bởi gió ngang. Góc nhị diện và góc vểnh cánh giúp tăng ổn định, giảm dao động và cải thiện hiệu suất bay, đặc biệt quan trọng với UAV bay lâu và vận tốc thấp.

  3. Phương pháp mô phỏng khí động học được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys CFX với mô hình rối k-ω Shear Stress Transport (SST) để mô phỏng dòng khí qua cánh, tính toán lực nâng, lực cản và hệ số chất lượng khí động trong điều kiện vận tốc 10 m/s.

  4. Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm có ảnh hưởng thế nào đến kết quả?
    Sai số trung bình lực nâng là 16,67%, lực cản 12,92%, hệ số chất lượng khí động 5,11%. Mặc dù có sai số, xu hướng và kết quả tổng thể tương đồng, cho thấy mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao, nhưng cần cải tiến thiết bị và phương pháp để giảm sai số.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế UAV thực tế?
    Kết quả cung cấp các thông số góc nhị diện, góc vểnh cánh và vị trí điểm vểnh tối ưu giúp thiết kế cánh UAV tiết kiệm năng lượng và tăng khả năng mang tải. Các nhà thiết kế có thể sử dụng thông số này để điều chỉnh thiết kế, vật liệu và kết cấu phù hợp với mục đích sử dụng.

Kết luận

  • Góc vểnh cánh 7°, điểm vểnh cách gốc cánh 175 mm và góc nhị diện 0° là tổ hợp tối ưu cho hiệu suất khí động của UAV dạng tàu lượn với tỷ số dạng 12,41.
  • Góc nhị diện âm từ -3° đến -4° phù hợp cho giai đoạn cất cánh, giúp tiết kiệm năng lượng.
  • Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy xu hướng tương đồng, tuy nhiên cần cải tiến để giảm sai số dưới 10%.
  • Nghiên cứu bổ sung kiến thức về khí động học UAV vận tốc thấp, hỗ trợ phát triển UAV hiệu quả hơn trong tương lai.
  • Đề xuất áp dụng kết quả trong thiết kế UAV mới, cải tiến vật liệu và nâng cao độ chính xác thực nghiệm trong vòng 1-2 năm tới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và thiết kế UAV nên áp dụng kết quả này để tối ưu hóa thiết kế cánh, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao hiệu suất và ứng dụng UAV trong nhiều lĩnh vực.